《O_3_BAC工艺优化运行方案及影响因素的显著性分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《O_3_BAC工艺优化运行方案及影响因素的显著性分析.pdf（8页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 O O3 3-BAC 工艺优化运行方案及影响因素的显著性分析-BAC 工艺优化运行方案及影响因素的显著性分析 蒋福春1 孙洪伟2 乔铁军3 陈健1 1 苏州市自来水公司，苏州 215002 2 广东仲恺农业技术学院城市建设学院，广州 510225 3 深圳水务（集团）有限公司，深圳 518035 摘 要 以南方某水库水为试验原水，采用正交试验方法，对影响臭氧-生物活性炭（O3-BAC）工艺运行效果的因素进行了系统分析。研究建立了多指标综合评分，并对预臭氧投加量、聚合氯化铝（PAC）投加量、聚丙稀酰胺（PAM）投加量、主臭氧投加量和主臭氧分配比例五个变量进行了分析，确定了系统优化运行方案；结果
2、表明，主臭氧的投加量及其分配比例对系统的运行效果具有显著性影响。关键词 生物活性炭 影响因素 显著性 权重系数 方差 Optimal Operating Program in O3-BAC System and Analyses of Significance of the Influencing Factors Jiang Fu-chun1,Sun Hong-wei2,Qiao Tie-jun3,Chen Jian1(1.Suzhou Water Company,Suzhou 215002,China;2.College of Urban Construction,Zhongkai Univ
3、ersity of Agriculture and Technology,Guangzhou 510225,China;3.Shenzhen Water Supply(Group),Shenzhen 518035,China)Abstract:In the study，analyses of the factors that influence the operation results of O3-Biological Activated Carbon(O3-BAC)system were made in a typical city of south China which uses re
4、servoir water as raw water,and orthogonal test was used here.We established a multi-index comprehensive evaluation system.Five influence variables in O3-BAC system,which include preozonation dosage,poly aluminum chloride(PAC)dosage,polyacrylamide (PAM)dosage,ozonation dosage and ozonation distributi
5、on,were analyzed.Further the optimal operating program in O3-BAC system were determined.The results show that ozonation dosage,as well as ozonation distribution,has significant effects to the system.Keywords:BAC;influence variable;significance;weight;variance 1 引言在水处理系统中，影响净水效果的因素有很多，除了装置本身的设计因素以外，还
6、包括一些运行因素。在运行因素中，混凝剂的投加量是影响絮凝的一个重要因素，有资料表明1，聚合氯化铝（PAC）的投量稍高或稍低均会影响出水水质和过滤周期。聚丙稀酰胺（PAM）的投加量和投加点对出水水质也有明显的影响2。臭氧预氧化可降低混凝剂投加量，或在一定混凝剂量下，提高浊度去除率，延长滤池过滤周期3,4。臭氧-生物活性炭工艺中，臭氧化可以大大延长活性炭滤池的工作周期，节省活性炭的再生或更换费用，关系到整个水处理系统的运行效果，其优化非常重要。由于臭氧剂量的改变，可能会减少活性炭滤池对有机物的吸附容量，而生物可降解性反而有所增加5。所以必须将臭氧剂量、臭氧分配方法等重要影响因素通过试验进行优化，以
7、充分发挥臭氧-生物活性炭工艺的优点。因此，为了更好地应用臭氧-生物活性炭工艺，寻找影响净水效果的主要因素，并检验其影响的显著性尤其重要。2 试验装置和方法 试验期间，原水的水质条件如表 1 所示。表 1 原水的水质条件 Table 1 raw water quality.水质指标 最大值 最小值 平均值 浊度(NTU)8.13 3.55 6.52 CODMn(mg/L)1.94 0.96 1.26 UV254 0.0313 0.0184 0.0213 TOC(mg/L)1.90 1.33 1.62 NH4-N(mg/L)0.168 0.09 0.113 NO3-N(mg/L)1.30 1.15
8、 1.20 藻（万个/L）793 266 589 AOC(g/L)106 24 63.50 THMFP(g/L)56.70 27.50 35.20 溴离子(g/L)16.50 13.90 15.10 溴酸盐(g/L)2.00 1.42 1.65 甲醛(g/L)0.05 0.05 0.05 2.1 中试装置 中试装置所采用的工艺为预 O3混合池穿孔漩流反应池斜板沉淀池石英砂滤池O3BAC，进水流量为 10m3/h，工艺流程如图 1 所示。混凝剂为 PAC，采用机械混合，其反应时间为 20min；助凝剂为 PAM，投加点通过小试试验进行确定，为反应池的前 1/3 处；预臭氧氧化接触时间为 5min
9、；主臭氧分为三级投加，每一级的反应时间均为 5min。臭氧的投加采用钛板微孔曝气形式，炭层空床接触时间（EBCT）为 17min。砂滤池和炭滤池的过滤速度分别为 8m/h 和 8.85m/h。活性炭滤柱三级主臭氧反应柱石英砂滤柱混合-反应-沉淀预臭氧反应柱砂滤池 尾气破坏器原水碳滤池冲洗排水冲洗排水尾气管空压机臭氧发生器反冲洗用空压机 回收到水厂反冲洗水臭氧气体排泥排泥 图 1 中试工艺流程 Fig.1 The flow of the pilot test 2.2 试验方法 中试工艺的设计参数是确定的，过滤条件也是固定的。因此，把预臭氧投加量、PAC 投加量、PAM 投加量、主臭氧投加量和主臭
10、氧的分配比例五个影响因素作为试验的研究对象。分别编号为 A、B、C、D、E。采用正交试验方法，每个因素均设定两个水平，其分布如表 2 所示。投加量的单位为 mg/L。表 2 影响因素的水平分布 Table 2 The distribution of the influential factors 因素 A B C D E 水平 1 1.0 1.5 0.10 1.5 4：3：3 水平 2 1.5 2.5 0.15 2.0 6：3：1 根据试验情况，选用正交表 L8（27）设计试验，即 7 因素（实际为 5 因素，6 和 7 为误差因素）、2 水平的 8 组试验。具体试验方案如表 3 所示。表 3
11、 正交试验方案 L8（27）Table 3 Orthogonal test table of L8（27）试验编号 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 6 7 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 2 3 2 1 2 2 2 1 1 4 2 1 2 1 1 2 2 5 1 2 2 2 1 1 2 6 1 2 2 1 2 2 1 7 2 2 1 1 2 1 2 8 2 2 1 2 1 2 1 2.3 分析项目 本试验的检测指标包括浊度、耗氧量（CODMn）、UV254、总有机碳（TOC）、氨氮（NH4-N）、亚硝酸盐氮(NO2-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、三卤甲烷前体
12、物(THMFP)、溴离子(Br-)、微囊藻毒素。此外，还分析了由于臭氧氧化导致升高的生物稳定性表征指标可同化生物有机碳（AOC），以及臭氧化副产物甲醛（HCHO）和溴酸盐(BrO3-)。3 结果及分析 3.1 选择评价指标 出水浊度均小于 0.15NTU，其总去除率在 98以上，NH4-N 和 NO2-N 的含量小于 0.05mg/L 和 0.003mg/L，UV254总去除率接近 100，出水 HCHO 的含量均小于 0.05mg/L，微囊藻毒素 RR 含量均小于 0.3g/L，微囊藻毒素 LR 含量均小于 0.1g/L。因此，确定 TOC、AOC、THMFP、Br-、CODMn、NO3-N
13、 和 BrO3-为评价指标。TOC、AOC、THMFP、Br-和 CODMn的去除率越高说明净水效果越佳；NO3-N的生成率和 BrO3-的含量越低，出水的安全风险越小。表 4 不同试验条件下各出水指标的 aij值 Table 4 aij of the effluent under different orthogonal tests 表 4 表示考察指标在各个试验条件下出水指标的去除率、生成率和含量情况，其数值用 aij表示。其中，去除率和生成率以百分数计，BrO3-的含量以 g/L计。3.2 建立多指标综合评分法 不同运行条件对出水指标的影响也有所不同，因此，评价水处理系统的运行效果应该把
14、多个指标综合起来考虑。所以，进行多指标综合评价时，需将 7 个水试验编号 1 2 3 4 5 6 7 8 CODMn 67.71 87.6 73.08 76.24 84.47 70.89 87.11 81.89 NO3-N 28.46 16.28 11.76 10.43 14.29 12.07 9.32 9.48 TOC 51.13 64.02 60.84 60.8 44.21 54.32 71.33 64.15 THMFP 78.13 72.1 70.04 82.35 68 70.04 72.75 70.55 AOC 27.36 11.49 43.04 22.73 59.42 14.29 1
15、2.5 70.42 Br-37.97 44.47 29.28 25 33.96 15.79 32.73 37.16 BrO3-7.07 9.82 9.28 8.47 10.5 9.4 8.42 8.07 质指标综合起来，通过综合评分法来确定优化方案。所谓综合评分法就是根据各个指标重要性的不同，给每一组试验评出一个分数，作为这个试验的总指标，作进一步分析，从而选出较优的试验方案6。表 5 不同试验条件下各出水指标的 bij值 Table 5 bij of the effluent under different orthogonal tests 将表 4 中的第 i 行在第 j 列上对应的数定义
16、为 aij，其中 i=1,2,.,7;j=1,2,8。定义ija为各个指标在 8 组试验中的平均值。定义bij表示为各个指标在各组试验下的aij值与其相应的ija的比值，计算公式如式（1）所示。=ijijijaba （1）bij是单次试验值和多次试验的平均值的比值。根据bij的定义，可以大致反映某个指标在某个运行条件下，偏离总体情况的程度。详见表 5。3.2.1 计算权重系数 在多指标综合优化中，权重系数是指某个考察指标在全部考察指标中所处的重要程度。在综合评价中，某指标的权重系数越高，则其重要程度越高；反之，重要性就越低7,8。根据试验原水和出水的水质情况，即原水和出水的 7 项指标均低于相
17、应的评价标准值。所以，水质指标的权重系数可以根据原水和出水的某个指标的观测值相对于评价标准值的靠近程度进行计算。根据权重系数的意义，各指标的权重系数总和为 1。权重系数的计算如式（2）所示。结果见表 6。7=1()()iiiiiiiiiCDCDriWWWW=+（2）可见，在综合评价中，Br-和 AOC 占有重要位置，THMFP、CODMn、BrO3-和 TOC 的重要程度中等，且相差不大，NO3-N的重要程度最低。试验编号 1 2 3 4 5 6 7 8 CODMn 0.86 1.11 0.93 0.97 1.07 0.9 1.11 1.04 NO3-N 2.03 1.16 0.84 0.74
18、 1.02 0.86 0.67 0.68 TOC 0.87 1.09 1.03 1.03 0.75 0.92 1.21 1.09 THMFP 1.07 0.99 0.96 1.13 0.93 0.96 1.00 0.97 AOC 0.84 0.35 1.32 0.70 1.82 0.44 0.38 2.16 Br-1.18 1.39 0.91 0.78 1.06 0.49 1.02 1.16 BrO3-0.80 1.11 1.05 0.95 1.18 1.06 0.95 0.91 表 6 各指标的权重系数分布 Table 6 The distribution of the weight of
19、the indexes 3.2.23.2.2 影响因素的方差分析 定义yj为第j组试验的综合评分。yj的计算公式如式（3）所示。各组试验的综合评分如表 7 最后一列所示。111112182212228271727877.Tyrbbbyrbbbbbbry=（3）表 7 正交试验数据处理 Table 7 Data processing of the orthogonal test 其中，K1j这一行的数值，分别代表各因素第 1 个水平所对应的 4 次综合评水 质 指 标 原水观测值(Ci)出水观测值(Di)评价标准值(Wi)权重系数(ri)Br-（g/L）15.1010.25200.29 BrO3
20、-（g/L）1.65 8.88 25 0.10 NO3-N(mg/L)1.20 1.37 10 0.03 CODMn(mg/L)1.26 0.24 3 0.11 TOC（mg/L）1.62 0.67 5 0.10 AOC（g/L）63.50 40.8 100 0.24 THMFP（g/L）35.20 9.28 80 0.13 试 验 编 号 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 6 7 综合评分 yj1 1 1 1 1 1 1 1 1.00 2 1 1 1 2 2 2 2 0.99 3 2 1 2 2 2 1 1 1.04 4 2 1 2 1 1 2 2 0.87 5 1 2 2 2 1 1
21、 2 1.20 6 1 2 2 1 2 2 1 0.70 7 2 2 1 1 2 1 2 0.88 8 2 2 1 2 1 2 1 1.31 K1j 3.89 3.9 4.18 3.45 4.38 4.12 4.05 K2j 4.1 4.09 3.81 4.54 3.61 3.87 3.94 K1j均值 0.973 0.975 1.045 0.863 1.095 1.03 1.013 K2j均值 1.025 1.0225 0.95251.135 0.90250.9675 0.985 Rj 0.0525 0.0475 0.09250.273 0.193 0.0625 0.0275 Sj 0.00
22、03450.000282 0.001060.009280.004630.000488 0.000095 优化方案 A2 B2 C1 D2 E1 Se=0.00058ST=0.0162 分之和。比如因素 A，它的第 1 个水平安排在 1、2、5、6 号试验中，对应的综合评分分别为 1.00、0.99、1.20 和 0.70，其和为 3.89，记在K1j的这一行的第 1列中。K1j均值K1j/4，K2j的计算原理同K1j。通过对比K1j均值和K2j均值，数值较大者对应的水平为该因素优水平，由此确定优化方案。第j个因素的离差平方和为Sj，总离差的平方和为ST，误差平方和为Se，计算公式如式(4)、式
23、(5)、式(6)所示。误差平方和Se为所有空白列的偏差平方和之和，由于第 6 列和第 7 列为空白列，其方差S6、S7是由随机误差引起的。均方和S的计算公式如（7）所示。F值的计算公式如式（8）所示。18Rj2 （4）ST=71jjS=（5）Se=S6+S7 （6）eSeeSf jSjjSf （7）=jjjeeSfFSf （8）根据=0.05和=0.10查F分布表得F0.05（1，2）=18.5，F0.10（1，2）=8.53，根据计算结果，在置信度为0.95 的置信区间上，影响因素D对试验结果有显著影响。在置信度为0.90的置信区间上，影响因素D和E对试验结果有显著影响。计算结果见表8。表
24、8 方差分析 Table 8 Analysis of variance 方差 来源 平方和 S 自由度 f 均方和 S F 值 临界值 显著性 A 0.0003451 0.000345 1.18 不显著 B 0.0002821 0.000282 0.97 不显著 C 0.00107 1 0.00107 3.67 不显著 D 0.00928 1 0.00928 31.85 显著 E 0.00463 1 0.0046315.89较显著 误差 e 0.0005832 0.000291 F0.05（1，2）=18.5 F0.10（1，2）=8.53 4 结论（1）建立了多指标综合评分法，从而确定了系统
25、优化运行方案：预臭氧投量S为1.5mg/L、PAC投量为2.5mg/L、PAM投量为0.10mg/L、主臭氧投量为2.0mg/L、主臭氧的比例分配为4：3：3；（2）结果表明，对系统净水效果有显著影响的因素是主臭氧投加量和主臭氧分配比例。参考文献 1 栾兆坤.微絮凝深床直接过滤及工艺参数研究.中国给水排水,2004(4):14-18.2 黄晓东.常规净水工艺强化技术研究：博士后研究报告.深圳：深圳水务集团有限公司,2003.3孙昕，张金松.饮用水预臭氧化技术的进展.给水排水,2002.28(4):7-9.4Saunier M.R.Preozonation as a Coagulant Aid
26、in Drinking Water Treatment.J.AWWA,1983,75(5):239-242 5 高乃云，严敏，乐林生.饮用水强化处理技术.化学工业出版社,2005(6):175-178.6 陈魁.应用概率统计.清华大学出版社,2000(2):262-272.7杨志峰，张玉先.水源水质模糊评价中的综合赋权和折减系数赋权.给水排水，2004,30(4):25-28.8 杨志峰，张玉先.黄浦江水源臭氧预氧化投加量的确定.长三角区域城镇饮用水安全保障技术和管理研讨会论文集.2004:197-207.9 蒋福春.臭氧生物活性炭工艺的优化运行研究：工学硕士学位论文.哈尔滨工业大学,2006.